[发明专利]基于二维金属丝线网络的高定向性双功能透镜天线

说明书

本发明公开了一种基于二维金属丝线网络的高定向性双功能透镜天线，主要解决现有技术结构复杂、辐射增益低的问题。其包括双功能透镜(1)，金属反射面(2)，两个馈源(3，4)，该双功能透镜采用由多层正方形面板构成的方形阵列，其中心位置设有方形通孔(12)；每层正方形面板由周期性排列的二维金属丝线网络单元(11)组成，每个二维金属丝线网络单元由立方介质块和两组十字交叉的圆柱形过孔及固定在其中的金属丝线组成；该第一馈源(3)采用微带线结构，且位于双功能透镜的正下方；该第二馈源(4)采用半波对称振子，其位于方形通孔的中心。本发明简化了双功能透镜天线的结构，提高了辐射增益，可用于无线通信和移动通信。

技术领域

本发明属于天线技术领域，特别涉及一种双功能透镜天线，可用于无线通信和移动通信。

技术背景

透镜天线在微波工程等领域已被广泛使用，而利用新型电磁材料设计的透镜天线比传统介质构建的透镜天线拥有更优异的性能，新型电磁材料拥有不同于传统材料的非常规电磁特性，能够有效改善天线的辐射特性，在无线通信和移动系统中得到了广泛关注。

上海交通大学在其申请的专利文献“一种利用亚波长周期性非谐振结构覆层制作紧凑型高增益天线的方法”(申请号201710783586.7，公开号CN 107681252 A)中公开了一种由新型电磁材料覆层的高增益天线。该天线中的覆层结构使用亚波长非谐振单元，能够将源天线发射的波聚焦到覆层法线方向，产生尖锐的高增益波束。但该天线只能实现单一功能的定向辐射，且只能将发射波的电场聚焦到法线方向，天线的功能简单，只能满足单一场景的通信需求。

为了解决上述问题，西安电子科技大学在其申请的专利文献“一种实现轴向定向波束和径向多波束辐射的混合介质天线”(申请号201910368540.8，申请公开号CN110148840 A)中公开了一种混合介质天线。该天线的结构使用了周期性排布的不同穿孔直径和金属丝线半径的混合介质单元，能够校准两个方向上馈源辐射的电磁波相位，实现轴向高增益定向辐射和径向多波束辐射的双向功能，然而，该天线由于在实现轴向定向辐射时需要设计拥有轴向的梯度渐变折射率单元来完成，因而天线结构较为复杂，且径向多波束辐射的增益较低。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术存在的问题，提供一种基于二维金属丝线网络的高定向性双功能透镜天线，以简化双功能透镜天线的结构复杂、提高径向多波束辐射的增益。

为实现上述目的，本发明基于二维金属丝线网络的高定向性双功能透镜天线，包括双功能透镜1，金属反射面2，第一馈源3和第二馈源4，其特征在于：

所述双功能透镜1，采用由n层正方形面板叠放构成的方形阵列，且中心设有方形通孔12，n≥2；每层正方形面板由i×i个周期性排列的二维金属丝线网络单元11组成；每个二维金属丝线网络单元11采用在一个立方介质块111的上下贯通第一圆柱形过孔112，在左右贯通的第二圆柱形过孔113，并分别在第一圆柱形过孔112中固定第一金属丝线114，在第二圆柱形过孔113中固定第二金属丝线115，形成十字交叉型的二维近零折射率结构；

所述第一馈源3采用在金属反射面2上表面中心位置的微带线结构，并设置在距双功能透镜1间距为h的正下方位置；

所述第二馈源4采用半波对称振子，且位于方形通孔12的中心。

进一步，所述第一圆柱形过孔112、第二圆柱形过孔113、第一金属丝线114、和第二金属丝线115的横截面半径r相同，其根据二维金属丝线网络单元11的等效介电常数ε_eff通过下式计算，其中径向与轴向的ε_eff完全对称且相同：

其中，计算r时设ε_eff接近0，ε_h为二维金属丝线网络单元11使用介质的介电常数，ω为工作角频率，ω＝2πf，f表示电磁波的频率，a为二维金属丝线网络单元11的边长。